Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки

БРОНЗЫ АЛЮМИНИЕВЫЕ

ется повышенной жаропрочностью. Этот сплав хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии (трубы, прутки разных профилей, поковки) и применяется в авиационной про­ мышленности и в общем машиностроении для изготовления деталей ответственного назначе­ ния, в том числе работающих при высоких температурах (шестерни, седла и направляю­ щие втулки клапанов, гайки). Кроме того, этот сплав применяется для изготовления литых деталей высокой прочности.

Важная особенность этого сплава - спо­ собность к упрочнению при термической обра­ ботке. При закалке с 980 °С p-фаза претерпева­ ет мартенситное превращение (Р —►Р'). После­ дующий отпуск приводит к распаду мартен­ ситной Р'-фазы на смесь а- и у2 -фаз. Кроме того, при отпуске выделяются дисперсные час­ тицы ае-фазы, которые также способствуют упрочнению сплава. После закалки и отпуска при 400 °С в течение 2 часов твердость состав­ ляет 400 НВ, против 159 НВ в отожженном состоянии. Для получения высокой ударной вязкости рекомендуется отпуск при 650 °С в течение 2 часов [92].

Основные сведения о технологических свойствах деформируемых алюминиевых бронз приведены в табл. 3.13.

3.4. БЕРИЛЛИЕВЫЕ БРОНЗЫ

Бериллиевые бронзы - это сплавы меди с бериллием. Они применяются в промышленно­ сти для изготовления упругих элементов ответ­ ственного назначения (плоских и витых пру­ жин, упругих элементов в виде гофрированных мембран, токопроводящих упругих деталей электрооборудования, пружинящих деталей электронных приборов и устройств и т.д.). Их отличают высокие: прочностные свойства, предел упругости и релаксационная стойкость, электро- и теплопроводность, сопротивление коррозии и коррозионной усталости. Они не магнитны, не дают искры при ударе, техноло­ гичны, т.е. хорошо штампуются, свариваются и т.д. Бериллиевые бронзы мало склонны к хладоломкости и могут работать в интервале тем­ ператур -200...+250 °С. К недостаткам этих сплавов относятся высокая стоимость и дефи­ цитность бериллия, а также его токсичность [47, 92, 72].

Оптимальными свойствами обладают сплавы, содержащие около 2 ...2 ,5 % Be (рис. 3.21). При дальнейшем увеличении содержания

бериллия прочностные свойства повышаются незначительно, а пластичность становиться чрезмерно малой.

В табл. 3.14 и 3.8 приведены составы наиболее распространенных в России марок бериллиевых бронз и их зарубежные аналоги.

Согласно диаграмме состояния Cu-Ве (рис. 3.23), в равновесии с a-твердым раствором бериллия в меди в твердом состоянии могут находиться фазы Р и у. Равновесная у(СиВе)- фаза - твердый раствор на основе соединения СиВе - имеет упорядоченную ОЦК решетку. Такую же решетку, но неупорядоченную имеет P-фаза. Фаза р устойчива только до температу­ ры 578 °С, при которой она претерпевает эвтектоидный распад р —►а +у (СиВе).

Предельная растворимость бериллия в меди в двойной системе Cu-Ве при 870 °С со­ ставляет 2,7 % (по массе), и она резко умень­ шается с понижением температуры. Это указы­ вает на возможность применения упрочняю­ щей термообработки к меднобериллиевым сплавам. Бериллиевые бронзы являются дис- персионно-твердеющими сплавами, причем эффект упрочнения при термической обработ­ ке у них максимальный среди всех сплавов на медной основе. Они подвергаются закалке и последующему старению.

При термической обработке бериллиевых бронз существенным является выбор темпера­ туры нагрева под закалку (Гзак). Ее значение определяет полноту перевода легирующих элементов в твердый раствор и возможность его гомогонизации [58]. С точки зрения ука­ занных факторов, предпочтительно повышение температуры закалки.

Рис. 3.21. Влияние содержания бериллия на механические свойства медных сплавов после

закалки с 780 °С (1) и старения при 300 °С (2) |92|

Полуфабрикаты и области применения

Прутки, проволока, листы, лента, поло­ сы. Пружины и пружинящие детали ответственного назначения, мембраны, износостойкие детали всех видов, детали часовых механизмов, неискрящий инструмент

Листы, полосы, прутки. Детали машин стыковой сварки, электроды для сварки коррозионно-стойких сталей и жаро­ прочных сплавов

Листы, полосы, прутки, трубы. Детали и изделия, работающие при повышенной температуре

Прессованные прутки, профили. Ответ­ ственные детали в моторостроении, направляющие втулки для антифрикци­ онных деталей, баков, резервуаров Прутки, проволока, полосы, листы, ленты. Детали всех видов для химиче­ ских аппаратов, пружины и пружинящие детали в приборостроении, детали для судостроения, детали сварных конст­ рукций, детали в моторостроении

БРОНЗЫ БЕРИЛЛИЕВЫЕ

Т ,°С

Рис. 3.22. Диаграмма состояния системы Си-Ве (142,18)

Нагрев под закалку выше оптимальной температуры способствует дополнительному пересыщению твердого раствора бериллием (особенно для сплава БрБ2,5) и вакансиями. Оба эти фактора ускоряют распад твердого раствора при последующем старении, но по­ вышение температуры закалки приводит к рос­ ту зерен a-твердого раствора, что крайне неже­ лательно, так как приводит к понижению пла­ стичности и упругих свойств, а также ухудша­ ет штампуемость. Для получения мелкого зер­ на при нагреве до температуры закалки в структуре бронзы должно сохраняться некото­ рое количество равномерно распределенных включений избыточной P-фазы, которые пре­ пятствуют собирательной рекристаллизации a-твердого раствора. Получению мелкозерни­ стой структуры способствует также никель: дисперсные частицы фазы NiBe не растворя­ ются полностью при нагреве под закалку (рис. 3.23) и сдерживают рост зерен а-раствора [72].

Диапазон температур нагрева под закалку бериллиевых бронз составляет 760...800 °С (табл. 3.15). Выше указанных температур брон­ зы нагревать не следует из-за опасности роста зерен и ухудшения служебных характеристик сплава. Нагрев под закалку ниже оптимальной температуры уменьшает пересыщение а-твер- дого раствора бериллием в закаленном сплаве и интенсифицирует прерывистый распад при старении с образованием грубой двухфазной

Т. °С

Си + 0,5Ni Be, %

Р ис. 3.23. ПрлитермнческнЙ разрез системы

Cu-Be-Ni при содержании 0,5 % Ni (по А.М. Захарову)

структуры с некогерентным выделением у-частиц в приграничных участках. Закалка с низких температур стимулирует прерывистый распад особенно сильно при высокотемпера­ турном старении (выше 350 °С). Локализован­ ный в приграничных участках прерывистый распад твердого раствора приводит к охрупчи­ ванию сплава [8 6 , 72, 80].

Важным параметром закалки бериллие­ вых бронз является скорость охлаждения, ко­ торое должно быть достаточно резким, чтобы исключить распад пересыщенного твердого раствора [58, 72]. При выборе закалочных сред руководствуются критическими скоростями (vKp), оцениваемыми с помощью термокинети­ ческих диаграмм или диаграмм изотермическо­ го превращения переохлажденного а-твердого раствора. Эти диаграммы строят по микроструктурным исследованиям или по измене­ нию свойств в процессе распада а-раствора по сравнению со свойствами после старения нд максимальную прочность [8 6 ].

На рис. 3.24 представлены диаграммы изотермического превращения бронзы, содер­ жащей 2,46 % Be и 0,27 % Со, построенные по изменению твердости, временного сопротивле­ ния и электропроводности [169, 170]. С-крИВые относятся к е-типу, они позволяют оценить устойчивость переохлажденного а-раствора при температурах ниже и выше эвтектоидной (tE). Минимальная устойчивость твердого рас­ твора высокотемпературной и низкотемпера­ турной ветви С-кривой соответствуют 680 и 500 °С.

Смещение высокотемпературных ветвей С-кривых в сторону более длительных выдер­ жек свидетельствует о высокой устойчивости а-раствора в этой области из-за низкой скоро­ сти реакции а -* р, а смещение низкотемпера­ турных ветвей (ниже tE) С-кривых в сторону более коротких выдержек является результа­ том высокой скорости распада а-раствора при достижении фазовой области а + у. Этот сплав даже после сравнительно длительной изотер­ мической выдержки в диапазоне температур 750...600 °С и последующей закалки сохраняет способность к максимальному упрочнению при старении.

Данные показывают, что при закалке бронзы наибольшие скорости охлаждения должны быть в интервале температур 550...

250 °С. Замедленное охлаждение в этом интер­ вале может вызвать преждевременное выделе­ ние из a-твердого раствора фазы-упрочнителя и, следовательно, привести к уменьшению спо­ собности к последующему старению. Критиче- 1 ская скорость закалочного охлаждения, позво­ ляющая получить необходимое сочетание фи­ зико-механических свойств, может быть опре­ делена как касательная к С-кривой именно в этом интервале температур (рис. 3.25). Для бронзы с 2,46 % Be и 0,27 % Со она составляет 60 °С/с.

Т,°С

в)

Рис. 3.24. Диаграммы изотермического превращения в сплаве Си- 2,46 % Be - 0,27 % Со, построенные по измерению HV (я), а. {б) и

со (в) после закалки с 800 °С в соляные ванны температурой 750...350 °С и изотермических выдержках от 5 до 900 с, охлаждения в воду, старения при 300 °С в течение 2 ч [169]

т,°с

Рис. 3.25. Оценка критической скорости охлаждения (vkp = 60 °С/с) бронзы с 2,56 % Be

и0,27 % Со по С-кривым |170|:

/- ст. = 1400 МПа; 2 - 390 HV; 3 - со = 23 % от Си

Рис. 3.26. Термокинетическая диаграмма превращения a-твердого раствора в бронзе с 2,09 % Be и 0,29 % Со |139|

Большую информацию о структурных изменениях в бериллиевых бронзах при терми­ ческой обработке содержат и термокинетиче­ ские диаграммы превращения a-твердого рас­ твора. Такая диаграмма для бронзы с 2,09 % Be и 0,29% Со представлена на рис. 3.26. Она построена по результатам микроструктурных исследований. Диапазон скоростей охлаждения условно можно разделить на три участка: /...///. При охлаждении со скоростью 10 °С/с и более (скорость v,, участок I) фиксируется однофазная структура a-твердого раствора и твердость составляет 105 HV. Только при та­ ких скоростях охлаждения получают истинную закалку бронзы.

При скоростях охлаждения 6 ... 1,5 °С/с, соответствующих участку II (скорость v2 и v3), обнаруживаются структурные изменения, свя­ занные с прерывистым распадом при темпера­ турах ниже 500 °С. Медленное охлаждение со скоростями 0,2...0,02 °С/с (скорость v4, уча­ сток III) приводит к частичному распаду а —►(3 при охлаждении в температурном интервале 700...600 °С и далее, при понижении темпера­ туры выделяется равновесная у-фаза.

Как следует из этих примеров, критиче­ ская скорость охлаждения у бериллиевых бронз достаточно высока и составляет 30...

60 °С/с, поэтому их обычно закаливают в воде. Для уменьшения критической скорости в бериллиевые бронзы вводят никель или кобальт. Добавки этих металлов приводят к повышению устойчивости переохлажденного а-твердого раствора в области температуры его наимень­ шей стабильности (~ 500 °С). Примерно так же на устойчивость твердого раствора влияют небольшие добавки магния. Важным достоин­ ством бериллиевых бронз является их высокая пластичность при умеренной прочности в закаленном состоянии: ав = 400.. .500 МПа, 6 = 30...45% (табл. 3.16...3.18). В этом состоя­ нии они легко переносят операции гибки, вы­ тяжки и другие виды деформации [32, 72].

Температурный режим старения зависит от необходимого сочетания свойств изделия и находится в интервале температур 300.. .350 °С.

При старении бериллиевых бронз распад а-раствора характеризуется сложностью форм фазовых переходов. Превращение проходит через ряд метастабильных состояний, последо­ вательность которых зависит от температуры изотермической выдержки.

При температурах ниже 430 °С распад начинается с образования зон Гинье-Престона (ЗГП), представляющих собой дискообразные монослои атомов бериллия, расположенные паралельно плоскостям {100} матрицы. Их диаметр оценивается пределами 2 ... 1 0 нм, а толщина - 0,2... 1,0 нм. Монослои окружены полями искажений решетки матрицы [8 6 ].

После образования ЗГП при температурах ниже 300...350 °С появляются частицы метастабильной у"-фазы, имеющей моноклинную

(TTlU (Tll)r- ‘, [,IO]al[OOI]r- [ ^ “ l

8 , %

OJ оо

38...45

30...38

45...50

Метастабильная у'-фаза образуется из у"-фазы при температурах ниже 350 °С, либо непосредственно из ЗГП при более высоких температурах. Она имеет объемноцентрированную тетрагональную решетку с периодом а = 0,279 нм и с - 0,254 нм и плоскостью габи­ туса {112}а. По мере развития процесса старе­ ния размеры выделений у'-фазы увеличиваются а тетрогональность ее решетки уменьшается.

После длительного старения и особенно выше температуры 400 °С у'-фаза теряет коге­ рентность с матрицей, степень тетрагональности ее решетки приближается к единице, и она превращается в стабильную у(СиВе)-фазу. Возможно образование у-фазы из метастабильной у'-фазы и непосредственно из а-твердого раствора.

Таким образом, в бериллиевых бронзах при различных температурах старения наблю­ дается следующая последовательность пре­ вращений [8 6 , 175]:

- 300 °С аси-ве — ЗГП - у" -> у' — у(СиВе);

- 350.. .400 °С : аси_ве — ЗГП-^ у' — у(СиВе).

Наблюдаемую последовательность фазо­ вых переходов объясняют кинетические кри­ вые изотермического распада пересыщенного твердого раствора, построенные с учетом из­ менения термодинамических параметров и скорости зарождения метастабильных и ста­ бильных фаз при старении бериллиевых бронз (рис. 3.27).

Из рис. 3.27 следует, что начальная ста­ дия распада связана с формированием ЗГП, которым при низких температурах термодина­ мически выгодно превращаться в частицы У'-фазы. При более высоких температурах старения образуются зародыши более крупных Размеров, которые могут перестраиваться He-

Т. °С

Рис. 3.27. Кривые изотермического распада пересыщенного твердого раствора при старении в бронзе с 2,0 % Be, полученные по результатам термодинамического расчета (156)

посредственно в у'-частицы, минуя у"-стадию. Максимальное упрочнение при старении соот­ ветствует образованию у'-фазы в форме пла­ стинок размером 5... 10 нм. Такие размеры частиц у'-фазы формируются в результате ста­ рения при 320...340 °С в течение 2 ...5 часов.

Рассмотренные закономерности относят­ ся к гомогенному распаду, при котором про­ цесс происходит статистически равномерно по всему объему а-раствора. В бериллиевых брон­ зах возможен негомогенный (прерывистый) распад. Этот вид распада начинается у границ зерен и его продукты в виде ячеистых выделе­ ний растут в объем зерен, снижая прочность и коррозионную стойкость. Прочность и твер­ дость уменьшается пропорционально доле пре­ рывистых выделений.

После дисперсионного твердения при старении готовые детали приобретают высокие

упругие свойства: предел упругости достигает 750...770 МПа, предел выносливости - 250...

290 МПа (на базе МО8 циклов), твердость -

350...400 HV

Температуроустойчивость упругих эле­ ментов из бериллиевых бронз значительно выше по сравнению с другими сплавами на медной основе, электропроводность составляет 25.. .30 % от электропроводности меди. Физи­ ческие свойства бериллиевых бронз приведены в табл. 3.19. Бериллиевые бронзы хорошо сва­ риваются и паяются. Обработка резанием даже после дисперсионного твердения затруднений не вызывает.

Легирование бериллиевых бронз направ­ лено на улучшение их свойств. В качестве ле­ гирующих элементов используют Ni, Со и Ti. Эти элементы подавляют прерывистый распад и замедляют непрерывный. Такое влияние ни­ келя и кобальта связывают с тем, что эти эле­ менты, имеющие меньший атомный радиус, чем медь, уменьшают период решетки а-раствора, что приводит к сохранению коге­ рентности матрицы и выделений, т.е. к отностильной стабилизации у'-фазы. Кроме того, Ni и Ti могут образовывать соединения типа NiBe, Cu3 Ti, которые обеспечивают дополнительное упрочнение [32, 72].

Бериллиевые бронзы отличаются высо­ ким сопротивлением малым пластическим деформациям из-за сильного торможения дис­ локаций дисперсными частицами, выделивши­ мися из твердого раствора при старении, а сле­ довательно, они имеют высокий предел упру­

гости (см. табл. 3.18). С увеличением этого сопротивления уменьшаются микропластические деформации при заданном напряжении и, следовательно, уменьшается релаксация на­ пряжений. Все это приводит к повышению релаксационной стойкости сплавов - основной характеристики, определяющей свойства упру­ гих элементов [80].

Бериллиевые бронзы часто подвергают низкотемпературной термомеханической обра­ ботке (НТМО), заключающейся в применении пластической деформации между операциями закалки и старения. В этом случае деформация закаленного сплава обеспечивает равномерный распад по всему объему твердого раствора при старении и получение высоких упругих харак­ теристик (см. табл. 3.16).

Бериллиевые бронзы широко применяют­ ся за рубежом в промышленно развитых стра­ нах. Из них изготовляют плиты, листы, ленты, горячепрессованные прутки, сварные и бес­ шовные трубы, прессованные профили и дру­ гие полуфабрикаты. Химический состав берил­ лиевых бронз по стандартам зарубежных стран приведен в табл. 3.20. Для улучшения свойств бериллиевые бронзы дополнительно легируют небольшими добавками металлов VIIIA груп­ пы - кобальтом, никелем и железом. В мароч­ ном составе обычно оценивают суммарное содержание этих металлов.

В табл. 3.21 приведены свойства и режи­ мы обработки бериллиевой бронзы С17200, которая широко применяется в США.